Στην καρδιά της Προβηγκίας, μερικά από τα λαμπρότερα επιστημονικά μυαλά του πλανήτη προετοιμάζουν το σκηνικό για αυτό που αποκαλείται το μεγαλύτερο και πιο φιλόδοξο επιστημονικό πείραμα στον κόσμο.
"Κατασκευάζουμε αναμφισβήτητα την πιο πολύπλοκη μηχανή που έχει σχεδιαστεί ποτέ", εκμυστηρεύτηκε ο Laban Coblentz, επικεφαλής επικοινωνίας του ITER, . Το ζητούμενο είναι να καταδειχθεί η δυνατότητα αξιοποίησης της πυρηνικής σύντηξης - της ίδιας αντίδρασης που τροφοδοτεί τον Ήλιο και τα αστέρια μας - σε βιομηχανική κλίμακα.
Για το σκοπό αυτό, ο μεγαλύτερος θάλαμος μαγνητικού περιορισμού στον κόσμο, ή Tokamak, κατασκευάζεται στη νότια Γαλλία για την παραγωγή καθαρής ενέργειας. Η συμφωνία για το έργο του Διεθνούς Θερμοπυρηνικού Πειραματικού Αντιδραστήρα (ITER) υπεγράφη επίσημα το 2006 από τις ΗΠΑ, την ΕΕ, τη Ρωσία, την Κίνα, την Ινδία και τη Νότια Κορέα στο Μέγαρο των Ηλυσίων στο Παρίσι. Πάνω από 30 χώρες συνεργάζονται τώρα στην προσπάθεια κατασκευής της πειραματικής συσκευής, η οποία προβλέπεται να ζυγίζει 23.000 τόνους και να αντέχει σε θερμοκρασίες έως και 150 εκατομμυρίων °C όταν ολοκληρωθεί.
Πώς λειτουργεί η πυρηνική σύντηξη;
Η πυρηνική σύντηξη είναι η διαδικασία κατά την οποία δύο ελαφροί ατομικοί πυρήνες συντήκονται για να σχηματίσουν έναν ενιαίο βαρύτερο, δημιουργώντας μια τεράστια απελευθέρωση ενέργειας. Στην περίπτωση του Ήλιου, τα άτομα υδρογόνου στον πυρήνα του συντήκονται λόγω της τεράστιας βαρυτικής πίεσης.
Εν τω μεταξύ, εδώ στη Γη, διερευνώνται δύο κύριες μέθοδοι για την παραγωγή σύντηξης. Την πρώτη μέθοδο ίσως την έχετε ακούσει στο National Ignition Facility στις ΗΠΑ.
Παίρνετε ένα πολύ, πολύ μικρό κομμάτι - στο μέγεθος ενός κόκκου πιπεριού - από δύο μορφές υδρογόνου: δευτέριο και τρίτιο. Και τους ρίχνετε με λέιζερ. Αυξάνετε την πίεση καθώς, προσθέτετε θερμότητα και έχετε μια έκρηξη ενέργειας, E = mc². Μια μικρή ποσότητα ύλης μετατρέπεται σε ενέργεια.
Το έργο του ITER επικεντρώνεται στη δεύτερη πιθανή μέθοδο: τη σύντηξη με μαγνητικό περιορισμό. Σε αυτή την περίπτωση, έχουμε έναν πολύ μεγάλο θάλαμο, 800 m³, και βάζουμε μια πολύ μικρή ποσότητα καυσίμου -2 έως 3 g καυσίμου, δευτέριο και τρίτιο - και το ανεβάζουμε στους 150 εκατομμύρια βαθμούς μέσω διαφόρων συστημάτων θέρμανσης. Αυτή είναι η θερμοκρασία στην οποία η ταχύτητα αυτών των σωματιδίων είναι τόσο υψηλή ώστε αντί να απωθούνται μεταξύ τους με το θετικό τους φορτίο, ενώνονται και συγχωνεύονται. Και όταν συντήκονται, εκπέμπουν ένα σωματίδιο άλφα και ένα νετρόνιο.
Στο tokamak, τα φορτισμένα σωματίδια περιορίζονται από ένα μαγνητικό πεδίο, εκτός από τα υψηλής ενέργειας νετρόνια που διαφεύγουν και προσκρούουν στο τοίχωμα του θαλάμου, μεταφέρουν τη θερμότητά τους και έτσι θερμαίνουν το νερό που τρέχει πίσω από το τοίχωμα. Θεωρητικά, η ενέργεια θα μπορούσε να αξιοποιηθεί από τον παραγόμενο ατμό που θα κινούσε έναν στρόβιλο.
"Πρόκειται, αν θέλετε, για τον διάδοχο μιας μακράς σειράς ερευνητικών συσκευών", εξήγησε ο Richard Pitts, επικεφαλής του επιστημονικού τμήματος του ITER. Οι επιστήμονες ερευνούν τη φυσική των tokamak εδώ και περίπου 70 χρόνια, από τότε που τα πρώτα πειράματα σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν στη Ρωσία στις δεκαετίες του 1940 και 50.
Σύμφωνα με τον Pitts, τα πρώτα tokamak ήταν μικρές, επιτραπέζιες συσκευές. "Στη συνέχεια, σιγά-σιγά, γίνονται όλο και μεγαλύτερα, επειδή γνωρίζουμε - από τη δουλειά μας σε αυτές τις μικρότερες συσκευές, τις μελέτες μας για την κλιμάκωση το να πηγαίνουμε από το μικρό στο μεγαλύτερο στο μεγαλύτερο - ότι για να έχουμε καθαρή ισχύ σύντηξης πρέπει να κατασκευάσουμε ένα τόσο μεγάλο θάλαμο όσο αυτός", είπε.
Πλεονεκτήματα της σύντηξης
Τα πυρηνικά εργοστάσια παραγωγής ενέργειας υπάρχουν από τη δεκαετία του 1950 και εκμεταλλεύονται την αντίδραση σχάσης, κατά την οποία το άτομο διασπάται σε έναν αντιδραστήρα, απελευθερώνοντας τεράστια ποσότητα ενέργειας κατά τη διαδικασία.
Η σχάση έχει το σαφές πλεονέκτημα ότι είναι ήδη η καθιερωμένη και δοκιμασμένη μέθοδος, με περισσότερους από 400 πυρηνικούς αντιδραστήρες σχάσης σε λειτουργία παγκοσμίως σήμερα.
Όμως, ενώ οι πυρηνικές καταστροφές ήταν σπάνιο φαινόμενο στην ιστορία, η καταστροφική τήξη του αντιδραστήρα 4 στο Τσερνομπίλ τον Απρίλιο του 1986 αποτελεί ισχυρή υπενθύμιση ότι ποτέ δεν είναι εντελώς ακίνδυνες.
Επιπλέον, οι αντιδραστήρες σχάσης πρέπει επίσης να αντιμετωπίσουν την ασφαλή διαχείριση τεράστιων ποσοτήτων ραδιενεργών αποβλήτων, τα οποία συνήθως θάβονται βαθιά στο υπέδαφος σε γεωλογικούς αποθεσιοθαλάμους.
Αντίθετα, ο ITER σημειώνει ότι μια μονάδα σύντηξης παρόμοιας κλίμακας θα παρήγαγε ενέργεια από πολύ μικρότερη ποσότητα χημικών εισροών, μόλις μερικά γραμμάρια υδρογόνου.
"Οι επιπτώσεις στην ασφάλεια δεν είναι καν συγκρίσιμες", σημείωσε ο Coblentz. "Έχετε μόνο 2 έως 3 γραμμάρια υλικού. Επιπλέον, το υλικό σε μια μονάδα σύντηξης, το δευτέριο και το τρίτιο, και το υλικό που βγαίνει, μη ραδιενεργό ήλιο και ένα νετρόνιο, αξιοποιούνται όλα. Έτσι, δεν υπάρχει περίσσευμα, ας πούμε, και το απόθεμα ραδιενεργού υλικού είναι εξαιρετικά, εξαιρετικά μικρό", πρόσθεσε.
Οι δυσκολίες στο πρόγραμμα ITER
Η πρόκληση με τη σύντηξη, τονίζει ο Coblentz, είναι ότι αυτοί οι πυρηνικοί αντιδραστήρες παραμένουν εξαιρετικά δύσκολο να κατασκευαστούν.
"Προσπαθείς να ανεβάσεις κάτι σε 150 εκατομμύρια βαθμούς. Προσπαθείτε να το κάνετε στην κλίμακα που χρειάζεται και ούτω καθεξής. Είναι απλά ένα δύσκολο πράγμα", είπε.
Σίγουρα, το έργο ITER αντιμετώπισε την πολυπλοκότητα αυτού του γιγαντιαίου εγχειρήματος.
Το αρχικό χρονοδιάγραμμα για το έργο ITER όριζε το 2025 ως ημερομηνία για το πρώτο πλάσμα, ενώ η πλήρης θέση σε λειτουργία του συστήματος είχε προγραμματιστεί για το 2035.
Όμως, οι αναποδιές των εξαρτημάτων και οι καθυστερήσεις που σχετίζονται με την COVID-19 οδήγησαν σε μετατόπιση του χρονοδιαγράμματος για τη θέση σε λειτουργία του συστήματος και σε διόγκωση του αντίστοιχου προϋπολογισμού.
Η αρχική εκτίμηση του κόστους του έργου ήταν 5 δισεκατομμύρια ευρώ, αλλά έχει αυξηθεί σε πάνω από 20 δισεκατομμύρια ευρώ.
"Έχουμε αντιμετωπίσει προκλήσεις στο παρελθόν, απλώς και μόνο λόγω της πολυπλοκότητας και του πλήθους των πρώτων στο είδος τους υλικών, των πρώτων στο είδος τους εξαρτημάτων σε ένα πρώτο στο είδος του μηχάνημα", εξήγησε ο Coblentz.
Μια σημαντική αναποδιά αφορούσε τις κακές ευθυγραμμίσεις στις επιφάνειες συγκόλλησης των τμημάτων του θαλάμου κενού που κατασκευάστηκαν στη Νότια Κορέα. "Αυτά που έφτασαν, έφτασαν με αρκετή ασυμφωνία στις άκρες όπου τα συγκολλάμε μεταξύ τους, ώστε να πρέπει να ξαναφτιάξουμε αυτές τις άκρες", δήλωσε ο Coblentz.
"Δεν είναι πυρηνική επιστήμη στη συγκεκριμένη περίπτωση. Δεν είναι καν πυρηνική φυσική. Είναι απλά η κατεργασία και η επίτευξη απίστευτης ακρίβειας, η οποία ήταν δύσκολη", πρόσθεσε.
Ο Coblentz λέει ότι το έργο βρίσκεται επί του παρόντος σε μια διαδικασία επαναπροσδιορισμού, με την ελπίδα να παραμείνει όσο το δυνατόν πιο κοντά στον στόχο του 2035 για την έναρξη των εργασιών σύντηξης. "Αντί να επικεντρωθούμε στις ημερομηνίες που είχαμε πριν από το πρώτο πλάσμα, την πρώτη δοκιμή της μηχανής το 2025 και στη συνέχεια μια σειρά τεσσάρων σταδίων για να φτάσουμε στην ισχύ σύντηξης αρχικά το 2035, θα παραλείψουμε το πρώτο πλάσμα. Θα διασφαλίσουμε ότι οι δοκιμές θα γίνουν με άλλο τρόπο, ώστε να μπορέσουμε να τηρήσουμε όσο το δυνατόν περισσότερο αυτή την ημερομηνία", δήλωσε.
Διεθνής συνεργασία
Όσον αφορά τις διεθνείς συνεργασίες, ο ITER είναι κάτι σαν μονόκερος με τον τρόπο με τον οποίο έχει αντέξει στους αντίθετους «ανέμους» των γεωπολιτικών εντάσεων μεταξύ πολλών από τα έθνη που συμμετέχουν στο έργο.
"Οι χώρες αυτές δεν είναι προφανώς πάντα ιδεολογικά ευθυγραμμισμένες. Αν κοιτάξετε τις σημαίες στο εργοτάξιο της Alphabet, η Κίνα πετάει δίπλα στην Ευρώπη, η Ρωσία πετάει δίπλα στις Ηνωμένες Πολιτείες", σημείωσε ο Coblentz.
"Για να αναλάβουν οι χώρες αυτές μια 40ετή δέσμευση να συνεργαστούν, δεν υπήρχε καμία βεβαιότητα. Ποτέ δεν θα υπάρξει βεβαιότητα ότι δεν θα υπάρξουν κάποιες συγκρούσεις".
Ο Coblentz αποδίδει τη σχετική υγεία του έργου στο γεγονός ότι η πυρηνική σύντηξη είναι ένα κοινό όνειρο πολλών γενεών.
"Αυτό είναι που ενώνει αυτή τη δύναμη. Και γι' αυτό έχει επιβιώσει από τις τρέχουσες κυρώσεις που η Ευρώπη και άλλοι έχουν επιβάλει στη Ρωσία στην τρέχουσα κατάσταση με την Ουκρανία", πρόσθεσε.
Κλιματική αλλαγή και καθαρή ενέργεια
Δεδομένης της κλίμακας της πρόκλησης που θέτει η κλιματική αλλαγή, δεν είναι περίεργο που οι επιστήμονες αγωνίζονται να βρουν μια πηγή ενέργειας χωρίς άνθρακα για να τροφοδοτήσουν τον κόσμο μας.
Όμως, η άφθονη παροχή ενέργειας από τη σύντηξη απέχει ακόμη πολύ και ακόμη και ο ITER παραδέχεται ότι το έργο του αποτελεί τη μακροπρόθεσμη απάντηση στις ενεργειακές ανησυχίες.
Απαντώντας στην άποψη ότι η σύντηξη θα έρθει πολύ αργά για να συμβάλει στην καταπολέμηση της κλιματικής κρίσης με ουσιαστικό τρόπο, ο Coblentz υποστηρίζει ότι η ενέργεια σύντηξης θα μπορούσε να διαδραματίσει ρόλο στο μέλλον.
"Αν όντως έχουμε άνοδο της στάθμης της θάλασσας σε βαθμό που να αρχίσουμε να χρειαζόμαστε την κατανάλωση ενέργειας για να μετακινούμε τις πόλεις Αν αρχίσουμε να βλέπουμε ενεργειακές προκλήσεις σε αυτή την κλίμακα, θα γίνει πραγματικά προφανής η απάντηση στο ερώτημά σας", είπε.
"Όσο περισσότερο περιμένουμε να έρθει η σύντηξη, τόσο περισσότερο τη χρειαζόμαστε. Έτσι, το έξυπνο είναι να έρθει εδώ το συντομότερο δυνατό".
Εικόνα Tokamak από το https://www.iter.org/album/Media/7%20-%20Technical